CN1320716C - 故障电流保护开关的电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及故障电流保护开关的电路装置，包括：用于检测电源网络(12)中的故障电流的检测设备(10)，优选在该检测设备后面安装一个用于故障电流的预备电路(20)，蓄能器电路(30)，它根据检测到的故障电流被充电，用于监控蓄能器电路(30)充电状态的阈值开关(40)，开关元件(50)，通过该元件可以产生触发元件(60)所需的触发电压脉冲，而触发元件(60)则是用于至少一个由电源网络供电的负载的触发开关的，其中当蓄能器电路(30)达到规定的充电状态(即额定充电状态)时，阈值开关(40)会使开关元件(50)产生触发元件(60)所需的触发电压脉冲，其中提供一个第二阈值开关(40’)，该第二阈值开关(40’)一直将开关元件(50)锁闭，直到蓄能器电路(30)达到另外一个规定的充电状态(即最低充电状态)。

Description

故障电流保护开关的电路装置
技术领域
本发明涉及一个故障电流保护开关的电路装置。该电路包括下列部件：用于检测电源网络故障电流的检测设备(优选在该设备后面安装一个故障电流的预备电路)、蓄能器电路(根据检测到的故障电流对其充电)、用于监控蓄能电路充电状态的阈值开关和一个开关元件(通过该元件可以产生触发元件所需的触发电压脉冲，而触发元件则是用于至少一个由电源网络供电的负载的触发开关)，其中，当阈值开关达到蓄能电路规定的充电状态(即额定充电状态)时，会使开关元件产生触发元件所需的触发电压脉冲。
背景技术
这一类型的故障电流保护开关或者故障电流监控开关例如由DE 41 12 169A1和DE 44 29 007公开。一般来讲，这些电路装置中的第一个阈值开关是由一个Z二极管构成，而开关元件是由一个电子开关(比如闸流管)构成。
由于各种干扰因素(比如电灯串联装置、开关网络部件、以及为电机驱动的变频器或暴雨引起的故障电流)引起的不断增加的电源网络的负荷，在使用故障电流保护开关时会出现下面的问题：一些很小的干扰因素就可能会导致故障电流保护开关的非预期的触发。
特别在由闸流管构成的开关元件中经常由于开关元件的尖端放电而出现故障电流保护开关的非正常触发。也可能在开关元件提前出现了非正常点火后蓄能器电路通过触发元件在没有将它与电源网络分开的情况下自行放电，这将会导致故障电流保护开关不能触发。这一问题在上面提到文献中并未提及。
发明内容
本发明旨在介绍一种用于前面所说的故障电流保护开关的电路装置，此装置可以排除上面所提到的各种弊端，最大限度地抑制故障电流保护开关非正常触发或不能触发的情况，并且从整体上提高其抗干扰性。
上述的故障电流保护开关的电路装置包括：用于检测电源网络中的故障电流的检测设备；根据检测到的故障电流被充电的蓄能器电路；用于监控蓄能器电路充电状态的阈值开关；开关元件，其通过该元件可以产生触发元件所需的触发电压脉冲，触发元件用于至少一个由电源网络供电的负载的断路开关；其中，当蓄能器电路达到规定的充电状态时，阈值开关会使开关元件产生触发元件所需的触发电压脉冲，其特征为：设置一个第二阈值开关，直到蓄能器电路达到另外一个规定的充电状态时，该阈值开关一直将开关元件锁闭。
这样，如果干扰因数低于通过这个另外设定的充电状态给定的阈值，那么这些干扰因素将不会导致开关元件的触发，从而就可以可靠避免故障电流保护开关发生非正常点火了。
为了防止故障电流保护开关不能触发，在本发明另外一个实施例中还将蓄能器电路的另外一个规定充电状态(即最低充电状态)设置为高于运行触发元件工作所必需的充电状态。
另外，在本发明的另一个变体中，上面所提到的第二阈值开关是由一个自导通N沟道耗尽型结场效应晶体管(J4)构成的。这样，最后形成的整个电路装置结构简单，性能可靠。
根据本发明的另外一个变体，将场效应晶体管(J4)与其它半导体器件一起集成在同一个芯片中。这样的结构一体化允许获得小的、节约空间的电路。
附图说明
下面将通过所附的表示特别优选的实施例的示意图进一步阐释本发明。这些示意图包括：
图1是公知的故障电流保护开关的方框图；
图2是按照本发明所设计的带第二阈值开关40’的故障电流保护开关的简易方框图；
图3是本发明的一个实施例的故障电流保护开关的电路装置；
图4是按照本发明的故障电流保护开关的另外一种电路装置的简易示意图。
具体实施方式
故障电流保护开关(后面简称FI开关)包括保护开关、监控开关和报警开关。一般来讲，FI开关的功能是监控电气设备并在故障电流流出电源网络并流进地面对人造成威胁之前及时切断与电源网络的连接。为此，FI开关这样配置，使故障电流在高于某个特定值时可自行切断与电源网络的连接。额定故障电流IΔn，即允许的最大故障电流一般是30mA左右，如果超过这个值，FI开关在过了约为10mS的容许时间后才切断电源。这一容许值是从足以对人造成威胁(如导致人心脏震颤)的电流强度和频率等值所得出的。
图1是公知的FI开关组件的方框示意图。
如果设备完好无损，也就是说没有流向地面的故障电流的情况下，工作电流从电源网络流向负载再从负载流回电源网络。如果某个部分由于故障的原因出现了流向地面的故障电流，那么该区域周围流向负载的电流将会大于流回电源网络的电流。如果该这一泄露电流通过人体流向地面，那么就将对这个人构成危险甚至造成重伤。流向负载电流和回流电流之间的差电流(即流失的故障电流)能够由检测装置10识别出来。
检测装置10由一个总和电流互感器构成，该电流互感器又是由一个磁心(如环形磁心)构成。组成总和电流互感器初级绕组的各导线可以缠绕在电流互感器环形周围的一个或多个绕组中，如果电流强度合适，可以使其直接通过电流互感器的环形部分。在各个构成初级绕组的导线中的差电流在同样缠绕在环形磁心周围的次级绕组中产生一个磁场，该磁场可以感应次级绕组中的电压。
这样，检测装置10或者说总和电流互感器就可以检测到差电流或故障电流并将其转化为需再处理的电压了。
检测装置10输出端中的电压一般是供给预备电路20的。这一点可以保证通过FI开关准确地识别出不同类型的故障电流(如脉动直流故障电流、交流故障电流和带直流成分的故障电流等)。因此预备电路20是根据FI电路的具体情况来分别设计的。
优选用一个可以对交流故障电流进行整流的简单整流器电路来做上面提到的预备电路20。
由检测装置10或预备电路20上所施加的电压差所产生的电流将继续流向蓄能器电路30。一旦出现故障电流，就开始向蓄能器电路30充电。充电状态根据故障电流的强度及持续时间的不同而不同。在延时FI开关中尤其会使用这种蓄能器电路。
这种装置的优点在于，只要持续时间不超过允许时间，由单独的故障电流向蓄能器电路30进行的充电不会累积计算。这样就保证了只有一个故障电流，其值大于额定故障电流，以及持续时间长于允许向蓄能器电路30充电的时间，从而完成FI开关的触发。
蓄能器电路30可以由一个可自行放电的电容器或R-C元件构成。
蓄能器电路30的充电状态是通过一个阈值开关40来进行监控的。当达到一个特定的充电状态(后文将其称为“蓄能器电路30的额定充电状态”)时该阈值开关40会将一个控制脉冲传给它后面的开关元件50，随后由该元件切断FI开关。
为了FI开关能够进行正常触发，为蓄能器电路30上所施加的电压规定了一个额定充电状态，这一额定状态是与额定故障电流Iδn与允许时间是彼此协调的。
优选用一个齐纳二极管构成阈值开关40，因为它具有确定的击穿电压。
由阈值开关40所送出的控制脉冲是用来控制开关元件50的。
该开关元件用作充电开关，并为触发元件60产生所需的触发电压脉冲。如果是在一个不依赖电源电压的FI电路中，该开关元件50可以利用蓄能器电路30中所储存的能量来产生这一触发电压脉冲。
这个开关元件50一般是由一个电子开关构成。这个电子开关最好是一个有自我增强能力的开关元件，比如一个闸流管。当然，除了闸流管，还可以使用其他部件如晶体管或电子继电器。
达到通常的点火电压时闸流管会自动点火。而FI在进行正常触发时并不使用闸流管的自我点火功能，而是使用由第一阈值开关40发出的控制信号，该信号可以将开关元件50点燃。
由开关元件50所产生的触发电压脉冲将流向触发元件60，该元件可以将负载从电源网络分离开来。
触发元件60可以作为永磁铁触发器(PMA)构成。此时会有一个衔铁(电枢)通过一个线圈来移动，并且通过一个锁扣机构和一个接触器使负载与电源网络12分离。
正常触发的情形在下文中进行说明。如果一个故障电流至少达到了额定故障电流的强度并且持续时间超过了允许时间，它将会引起蓄能器电路30进入充电状态，直到其达到额定充电状态。当达到了额定充电状态时，阈值开关40将会向开关元件50施加一个控制脉冲，从而达到将其点燃或接通的目的。由此所产生的触发电压脉冲将会继续流向触发元件60，由其将负载从电源网络分离开来。
本发明中的电路装置既可用取决于网络电源的FI开关也可用做不依赖于网络电源的FI开关。如果是作为不依赖于网络电源的FI开关，必须保证蓄能器电路30中所存储的能量足以保证触发元件60安全地将负载从电源网络分离。这样蓄能器30和阈值开关就必须与额定故障电流和触发元件60彼此协调一致。
图1所示装置具有一个缺点，即在电源网络中的点火电压下产生的某些不可避免的电压峰值虽然不会导致蓄能器30达到规定的充电状态，但可能会引起开关元件50或闸流管的点火(所谓的尖端放电：Ueberkopfzuenden)。这些故障可能通过电源网络、自身的故障电流(即通过正常触发所感应的故障电流)产生或来自另一边、触发元件60或PMA。
开关元件50的这种非正常打火一般会使触发元件60将负载和电源网络分离。FI开关的这种故障触发不希望的。
也可能开关元件50产生了一个触发电压脉冲，但该脉冲不足以使触发元件60将负载和电源网络分离。这种情况尤其在使用不依赖于网络电源的独立FI开关时可能会出现。这样FI开关就不会触发。但同时也不能再继续向蓄能器电路30加充电，因为打开开关元件50时会有一股电流从蓄能器电路30不断流过触发元件60。这样的话，如果后面出现了超过额定故障电流的情况FI开关也不会断开。这中不触发就可能导致人员伤害。
本发明的核心在于防止在给定阈值情况下的故障因素可能引起的开关元件50的触发。也就是通过设置另外一个第二阈值开关40’来达到。
图2是与已知的FI开关不同的FI开关的组件结构示意图。
如图2所示的按照本发明组成的FI开关，在开关元件50前面又另外设置了一个第二阈值开关40’。在蓄能器电路30到达一个特定的(后文中会用一个最低充电状态来标明)的充电状态时，该第二阈值开关40’才会将开关元件50释放，否则将一直锁闭该元件。
为此开关元件50必须有另外一个第二控制输入，通过它可以控制该开关元件50，以防止接通。这个值可以是闸流四级管的第二控制输入。
本发明中的电路装置可以通过设置阈值或者最低充电状态防止大量发生的故障触发，从而增强抗干扰性。为使抗干扰功能尽可能强大，可以根据FI开关的具体使用情况来设置最低充电状态。
当然这个最低充电状态不能超过额定充电状态，否则就无法进行正常触发。
可以选择与额定故障电流大小相符的额定充电状态下的故障电流的一半作为阈值或者最低充电状态。通过这样的参数就可以防止电源网络中数半以上典型的故障或对FI开关造成不良影响情况的产生。
最好选择最低充电状态，使得在要求蓄能器电路30的输出端的该最低充电状态时使该蓄能器电路30中所存储的能量足以保证触发元件60能够将负载与电源网络分离。这样就一定能够避免上面所说的不能触发情况的发生。
图3是本发明中的FI开关的电路装置各部件的示意图。该电路装置的组件10、20、30、40、50和60均相应于众所周知的延时FI开关。
符号T×1表示的是电源网络12上面的一个总和电流互感器。在本发明中，该电流互感器构成检测装置10。通过这个电流互感器T×1来测得故障电流，但同时也会将其它的不良影响带入电路装置。
预备电路20是接在总和电流互感器的次级绕组后面的。
在预备电路20中首先包括一个电阻R1，来阻尼环形磁心中出现过高的次级电压。
电容器C1是为了匹配次级电感而设置的。这样可以保证将预备电路20调谐至50Hz或电源频率。
此外预备电路20中还有一个倍压整流装置。这一德隆桥式整流电路(Gleichrichtenbrue ckenschaltung mit Delonschaltung)是由二极管D1和D2及电容器C2和C3组成的。
在桥式整流电路后面安装的是一个作为电压标准元件的Z二极管D3。通过这个Z二极管D3对预备电路20中的电压进行限制，可以防止在出现过高故障电流(高于5×IΔn)时存储电容器C4充电速度过快的情况。
在预备电路20后面连接的是一个蓄能器电路30。如图所示，该电路包括一个由阻挡层FET J1和电阻R2组成的恒流源。电阻R2用于调节所需的恒定电流。阻挡层FET工作在夹断区。恒流源允许对电压依赖很小的电流流过，这样才能保证存储电容器慢慢进行充电，并且在进行触发时可以有一个延时。当然，并不一定要安装这个恒流源不可。
蓄能器电路30的核心部分是存储电容器C4，在出现故障电流时可对该电容器进行充电。
存储电容器C4是通过电阻R3来进行放电的。这样，短时的故障电流(持续时间不超过FI开关的容许时间范围)就不会导致蓄能器电路30连续充电。
第一个阈值开关40通过已知的方式对蓄能器电路30的输出端处的电压进行监控。该开关是由一个沿阻流方向连接的Z二极管D4组成的。一旦Z二极管D4上的电压达到了其击穿电压，开关元件50的第一个控制输入端GK就会通过Z二极管D4与蓄能器电路30的输出端连接起来。
与Z二极管D4串联的电阻R8的作用是调节Z二极管D4上面的电压并由此进一步调节额定充电状态。
从由Z二极管D4的击穿电压和由电阻R8调节的蓄能器电路30的额定充电状态开始，P3和P4两个点通过电阻R5相连接。由此通过阈值开关40在开关元件50的第一控制输入端上产生一个控制脉冲。
图示实施例中的开关元件50或电子开关由一个带正极连接端A及负极连接端K和正极一侧的GA及负极一侧的栅级连接端GK的闸流管等效电路所组成。闸流管等效电路又包括一个pnp晶体管Q1、一个npn晶体管Q2和一个电阻R6，其中两个晶体管的集电极和基极彼此交替相连。
同时，正极连接端A或pnp晶体管Q1的发射极位于蓄能器电路30输出端的电位。负极连接端K则和触发元件60相连。
闸流管等效电路是一个电子开关。在电源网络的正常运行状态下(即无故障电流时)，闸流管是锁闭的，也就是说，在正极连接端A和负极连接端B之间以及进一步触发元件60中无电流流过。
当达到额定充电状态时，通过点燃的Z二极管D4用一个控制脉冲将负极一侧的栅级连接端GK加上负荷。这一脉冲可以将闸流管等效电路点燃。
负极一侧的栅级连接端GK通过电阻R5来确定npn晶体管Q2的发射极-基极-电压。这样负极侧栅级连接端GK上的正电压就可以触发npn晶体管Q2，从而使晶体管Q1和Q2相互加偏压并且在很短的时间内通过相互影响完全接通。
闸流管等效电路在控制脉冲之后仍然具有导电功能。
当然，开关元件50不一定要由两个两极晶体管组成，也可以是一个带正极侧和负极侧栅级的闸流四级管，通过控制线路将这个四级管接通或者断开。
对开关元件50来说电容器C7并不是必须的部件，它只是作为非正常触发时的一个辅助性的保护电容，因为来自触发元件60或PMA的故障被阻尼。特别当最低充电状态大大低于额定充电状态时安装一个这样的电容器C7是非常有益的：因为虽然第二阈值开关40’在蓄能器电路30达到最低充电状态之前会一直锁闭开关元件50，从而不会因为开关元件50的错误点火而导致FI开关不能触发，但是如果出现高于最低充电状态和低于额定充电状态的值时仍可能会引起FI开关的非正常触发。通过电容器C7可以进一步抑制这种非正常触发情况的出现。
本发明中开关元件50的第二控制连接端GA是和第二阈值开关40’相连的。
在图3的示意电路中，第二阈值开关40’是通过一个场效应晶体管J4与栅级连接端G、漏极连接端D和源极连接端S构成的。
作为场效应晶体管J4使用一个自导电n沟道阻挡层Fet(n-JFet)。它即使没有控制电压UGS也可以导电。在漏极连接端D和源极连接端S之间只有在施加高于生产商所供应的阈电压(阈值电压：Uth)的负控制电压的情况下才能进行高欧姆连接。这个临界电压的典型值为5伏。
图中所示的电路中，场效应晶体管J4的漏极连接端D是置于pnp晶体管Q1的基极上的。
场效应晶体管J4的栅级连接端G与零电位0、源极连接端S与蓄能器电路30的输出端是彼此相连的。因此蓄能器电路30的输出端上的电压用作控制电压UGS。
在该装置中，场效应晶体管J4在蓄能器电路30输出端的电压达到阈值Uth之前都是有导电能力的。由此场效应晶体管J4的源极连接端S和漏极连接端D并因此pnp晶体管Q1的基极和发射极都是短路。这样，pnp晶体管Q1因此被闭锁，并由此整个闸流管等效电路处于锁闭(触发)状态，从而可靠地避免了出现开关元件50的非正常点火。
如果蓄能器电路30的充电状态以及由此源极连接端的电位升高的话(即当出现一个必须切断的故障电流时)，就会用对源极为负的栅级电压触发场效应晶体管J4。当到达临界电压时场效应晶体管J4会变成高欧姆。
由此pnp晶体管Q1的基极和发射极不再短路，进而将触发电压脉冲与触发元件60接通的晶体管Q1、Q2被释放。
在维持给定值的情况下，供应到该电路装置中的电压脉冲在场效应晶体管J4的栅级连接端上保持低于阈值电压Uth，从而不会引起闸流管或开关元件50的点火。通过改变场效应晶体管J4的半导体物理学的一些参数可以使这一电压脉冲的值在一定的范围内变化，从而保证通过该电路装置对干扰电压的阈值与额定故障电流相关地进行几乎任意的调节。
也可以不使用有自导电n沟道阻挡层的场效应晶体管(n-JFet)，而使用其它晶体管例如p沟道阻挡层(p-JFet)、自导电n或p-MOSFET晶体管来做场效应晶体管J4。当然，与此同时也要使用不同的极性来控制这些晶体管。使用这些组件的优点在于，MOSFET晶体管和阻挡层场效应晶体管原则上都是对称的，也就是说，漏极和源极是可以互换的。
为了使该电路装置尽可能地小巧，优选将场效应晶体管与其它半导体部件一起集成在一个芯片中。
作为场效应晶体管J4的另一种方案，当然可以用双极晶体管、闸流管、由电压控制的电阻或继电器来(图4中用方框42’表示)，其可以通过分压器、差分放大器或者比较器(图中用方框41’表示)进行控制。
这里最重要的一点是，蓄能器电路30上的电压是通过第二阈值开关40’来进行监控的。当达到最低充电状态时开关元件50被释放。

Claims (7)

1.故障电流保护开关的电路装置，包括：
用于检测电源网络(12)中的故障电流的检测设备(10)，
蓄能器电路(30)，根据检测到的故障电流对其充电，
用于监控蓄能器电路(30)充电状态的阈值开关(40)，
开关元件(50)，通过该元件可以产生触发元件(60)所需的触发电压脉冲，触发元件(60)用于至少一个由电源网络供电的负载的断路开关，
其中，当蓄能器电路(30)达到规定的充电状态时，阈值开关(40)会使开关元件(50)产生触发元件(60)所需的触发电压脉冲，其特征为：
设置一个第二阈值开关(40’)，
该第二阈值开关一直将开关元件(50)锁闭，直到蓄能器电路(30)达到另外一个规定的充电状态。
2.根据权利要求1的电路装置，其特征为，所述检测设备(10)后接一个用于故障电流的整流器电路(20)。
3.根据权利要求1或者2的电路装置，其特征为，蓄能器电路(30)的另外一个规定充电状态处于运行触发元件(60)所必需的充电状态之上。
4.根据权利要求1或者2的电路装置，其特征为，第二阈值开关(40’)由一个自导电N沟道耗尽型结场效应晶体管(J4)构成。
5.根据权利要求3的电路装置，其特征为，第二阈值开关(40’)由一个自导电N沟道耗尽型结场效应晶体管(J4)构成。
6.根据权利要求4的电路装置，其特征为，所述场效应晶体管(J4)与其它半导体器件集成在一个芯片上。
7.根据权利要求5的电路装置，其特征为，所述场效应晶体管(J4)与其它半导体器件集成在一个芯片上。
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